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    Cómo mueren las galaxias:nuevos conocimientos sobre la extinción de la formación de estrellas

    Una nueva teoría explica cómo los agujeros negros crecen en función de la masa de las galaxias y eventualmente apagan la formación de estrellas en sus galaxias anfitrionas. Las imágenes en este gráfico son de galaxias cercanas en la era actual tomadas por Sloan Digital Sky Survey, elegido para representar la evolución de las galaxias. El gráfico muestra cómo la evolución de los pequeños, galaxias densas difiere de la de las más grandes, galaxias más difusas. Las galaxias más densas tienen agujeros negros más grandes para su masa y, por lo tanto, se apagan antes, en una masa más baja, mientras que las galaxias más difusas tienen agujeros negros más pequeños para su masa y deben crecer más antes de que se apague. El cambio a una pendiente más pronunciada marca la entrada al "valle verde", donde comienza con fuerza el enfriamiento. La teoría dice que los agujeros negros comienzan a crecer más rápido en este punto. Nuestra Vía Láctea está en ese punto crítico ahora, y se predice que su agujero negro crecerá en otro factor de tres antes de apagarse por completo. Crédito:Sandra Faber / Sofia Quiros / SDSS

    Los astrónomos que estudian la evolución de las galaxias han luchado durante mucho tiempo para comprender qué causa que la formación de estrellas se apague en galaxias masivas. Aunque se han propuesto muchas teorías para explicar este proceso, conocido como "extinción, "Todavía no hay consenso sobre un modelo satisfactorio.

    Ahora, un equipo internacional liderado por Sandra Faber, profesor emérita de astronomía y astrofísica en UC Santa Cruz, ha propuesto un nuevo modelo que explica con éxito una amplia gama de observaciones sobre la estructura de las galaxias, agujeros negros supermasivos, y la extinción de la formación de estrellas. Los investigadores presentaron sus hallazgos en un artículo publicado el 1 de julio en el Diario astrofísico .

    El modelo respalda una de las ideas principales sobre la extinción que la atribuye a la retroalimentación del agujero negro, "la energía liberada en una galaxia y sus alrededores desde un agujero negro supermasivo central cuando la materia cae en el agujero negro y alimenta su crecimiento. Esta retroalimentación energética calienta, expulsa, o interrumpe el suministro de gas de la galaxia, evitando la caída de gas del halo de la galaxia para alimentar la formación de estrellas.

    "La idea es que en las galaxias en formación de estrellas, el agujero negro central es como un parásito que finalmente crece y mata al huésped, "Faber explicó." Eso se ha dicho antes, pero no hemos tenido reglas claras para decir cuándo un agujero negro es lo suficientemente grande como para detener la formación de estrellas en su galaxia anfitriona, y ahora tenemos reglas cuantitativas que realmente funcionan para explicar nuestras observaciones ".

    La idea básica involucra la relación entre la masa de las estrellas en una galaxia (masa estelar), qué tan dispersas están esas estrellas (el radio de la galaxia), y la masa del agujero negro central. Para las galaxias formadoras de estrellas con una masa estelar determinada, la densidad de estrellas en el centro de la galaxia se correlaciona con el radio de la galaxia, de modo que las galaxias con radios más grandes tienen densidades estelares centrales más bajas. Suponiendo que la masa del agujero negro central escala con la densidad estelar central, Las galaxias formadoras de estrellas con radios más grandes (en una masa estelar dada) tendrán masas de agujero negro más bajas.

    ¿Qué significa eso? Faber explicó, es que las galaxias más grandes (aquellas con radios más grandes para una masa estelar dada) tienen que evolucionar más y acumular una masa estelar más alta antes de que sus agujeros negros centrales puedan crecer lo suficiente como para apagar la formación de estrellas. Por lo tanto, las galaxias de radio pequeño se apagan en masas más bajas que las galaxias de radio grande.

    "Esa es la nueva percepción, que si las galaxias con radios grandes tienen agujeros negros más pequeños en una masa estelar dada, y si la retroalimentación de los agujeros negros es importante para apagar, entonces las galaxias de radio grande tienen que evolucionar más, ", dijo." Si junta todas estas suposiciones, Asombrosamente, se puede reproducir una gran cantidad de tendencias observadas en las propiedades estructurales de las galaxias ".

    Esto explica, por ejemplo, por qué las galaxias apagadas más masivas tienen densidades estelares centrales más altas, radios más grandes, y agujeros negros centrales más grandes.

    Basado en este modelo, los investigadores concluyeron que la extinción comienza cuando la energía total emitida por el agujero negro es aproximadamente cuatro veces la energía de enlace gravitacional del gas en el halo galáctico. La energía de enlace se refiere a la fuerza gravitacional que mantiene el gas dentro del halo de materia oscura que envuelve la galaxia. La extinción se completa cuando la energía total emitida por el agujero negro es veinte veces la energía de enlace del gas en el halo galáctico.

    Faber enfatizó que el modelo aún no explica en detalle los mecanismos físicos involucrados en la extinción de la formación de estrellas. "Los procesos físicos clave que evoca esta simple teoría aún no se comprenden, ", dijo." La virtud de esto, aunque, es que tener reglas simples para cada paso del proceso desafía a los teóricos a idear mecanismos físicos que expliquen cada paso ".

    Los astrónomos están acostumbrados a pensar en términos de diagramas que trazan las relaciones entre las diferentes propiedades de las galaxias y muestran cómo cambian con el tiempo. Estos diagramas revelan las diferencias dramáticas en la estructura entre las galaxias en formación de estrellas y las apagadas y los límites definidos entre ellas. Debido a que la formación de estrellas emite mucha luz en el extremo azul del espectro de colores, los astrónomos se refieren a las galaxias formadoras de estrellas "azules", galaxias inactivas "rojas", y el "valle verde" como transición entre ellos. La etapa en la que se encuentra una galaxia se revela por su tasa de formación de estrellas.

    Una de las conclusiones del estudio es que la tasa de crecimiento de los agujeros negros debe cambiar a medida que las galaxias evolucionan de una etapa a la siguiente. La evidencia observacional sugiere que la mayor parte del crecimiento de los agujeros negros ocurre en el valle verde cuando las galaxias comienzan a apagarse.

    "El agujero negro parece desatarse justo cuando la formación de estrellas se ralentiza, "Dijo Faber." Esto fue una revelación, porque explica por qué las masas de los agujeros negros en las galaxias en formación de estrellas siguen una ley de escala, mientras que los agujeros negros en galaxias apagadas siguen otra ley de escala. Eso tiene sentido si la masa del agujero negro crece rápidamente mientras se encuentra en el valle verde ".

    Faber y sus colaboradores han estado discutiendo estos temas durante muchos años. Desde 2010, Faber ha codirigido un importante programa de estudio de galaxias del Telescopio Espacial Hubble (CANDELS, la Encuesta del legado extragaláctico profundo del infrarrojo cercano de Cosmic Assembly), que produjo los datos utilizados en este estudio. Al analizar los datos de CANDELS, ha trabajado en estrecha colaboración con un equipo dirigido por Joel Primack, Profesor emérito de física de UCSC, que desarrolló la simulación cosmológica Bolshoi de la evolución de los halos de materia oscura en los que se forman las galaxias. Estos halos proporcionan el andamiaje sobre el que la teoría construye la fase temprana de formación de estrellas de la evolución de las galaxias antes de apagarse.

    Las ideas centrales del artículo surgieron de los análisis de los datos de CANDELS y se le ocurrió por primera vez a Faber hace unos cuatro años. "De repente saltó hacia mí, y me di cuenta de que si juntamos todas estas cosas, si las galaxias tuvieran una trayectoria simple en radio versus masa, y si la energía del agujero negro necesita superar la energía de enlace del halo, puede explicar todos estos límites inclinados en los diagramas estructurales de las galaxias, " ella dijo.

    En el momento, Faber hacía frecuentes viajes a China, donde ha estado involucrada en colaboraciones de investigación y otras actividades. Fue profesora invitada en la Universidad Normal de Shanghai, donde conoció al primer autor Zhu Chen. Chen llegó a UC Santa Cruz en 2017 como investigador visitante y comenzó a trabajar con Faber para desarrollar estas ideas sobre la extinción de galaxias.

    "Ella es matemáticamente muy buena, Mejor que yo, e hizo todos los cálculos para este artículo, "Dijo Faber.

    Faber también le dio crédito a su antiguo colaborador David Koo, Profesor emérito de astronomía y astrofísica de la UCSC, para centrar primero la atención en las densidades centrales de las galaxias como clave para el crecimiento de los agujeros negros centrales.

    Entre los acertijos explicados por este nuevo modelo se encuentra una notable diferencia entre nuestra galaxia, la Vía Láctea, y su vecina muy similar, Andrómeda. "La Vía Láctea y Andrómeda tienen casi la misma masa estelar, pero el agujero negro de Andrómeda es casi 50 veces más grande que el de la Vía Láctea, "Dijo Faber." La idea de que los agujeros negros crecen mucho en el valle verde contribuye en gran medida a explicar este misterio. La Vía Láctea acaba de entrar en el valle verde y su agujero negro aún es pequeño, mientras que Andrómeda acaba de salir, por lo que su agujero negro se ha hecho mucho más grande, y también está más apagada que la Vía Láctea ".


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